JPH03279812A - Diffractive interferometric encoder - Google Patents
Diffractive interferometric encoderInfo
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- JPH03279812A JPH03279812A JP2081527A JP8152790A JPH03279812A JP H03279812 A JPH03279812 A JP H03279812A JP 2081527 A JP2081527 A JP 2081527A JP 8152790 A JP8152790 A JP 8152790A JP H03279812 A JPH03279812 A JP H03279812A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
光の回折及び干渉を利用し、高精度な測定が可能なエン
コーダに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to an encoder that is capable of highly accurate measurement using light diffraction and interference.
従来、この種のエンコーダとして、例えば特開昭63−
309816号公報のものが知られており、具体的には
、第6図に示す如き構成を有している。Conventionally, as this type of encoder, for example, JP-A-63-
A device disclosed in Japanese Patent No. 309816 is known, and specifically has a configuration as shown in FIG.
レーザーダイオード60から発する可干渉(コヒーレン
ト)光は、集光レンズ61により集光光束を生成し、偏
光ビームスプリッタ−62によりP。Coherent light emitted from the laser diode 60 is generated into a condensed beam by a condensing lens 61, and is converted to P by a polarizing beam splitter 62.
S偏光した2光束に分割される。そして、各偏光光は反
射鏡63a、 63bでそれぞれ反射され、所定の等し
い入射角を持って、透過型の回折格子64に達する。It is split into two S-polarized beams. Then, each polarized light is reflected by reflecting mirrors 63a and 63b, respectively, and reaches a transmission type diffraction grating 64 with a predetermined equal angle of incidence.
この回折格子64は、測定方向に沿って所定のピッチを
有し、この測定方向に沿って移動可能に設けられている
。This diffraction grating 64 has a predetermined pitch along the measurement direction, and is provided movably along this measurement direction.
ここで、集光レンズ61は、偏光ビームスプリッタ−6
21反射鏡63a、 63bを介した各光束を、回折格
子64上で集光するように構成されている。Here, the condensing lens 61 is the polarizing beam splitter 6
21 reflecting mirrors 63a and 63b are condensed onto a diffraction grating 64.
さて、所定の等しい入射角を持って回折格子64を交差
した各光束は、この回折格子64によって、この回折格
子64のピッチ方向と直交した方向に回折し、回折角の
変化を補正するためのレンズ65によって平行光束とな
る。Now, each light beam that has crossed the diffraction grating 64 with a predetermined equal incident angle is diffracted by this diffraction grating 64 in a direction perpendicular to the pitch direction of this diffraction grating 64. The lens 65 converts the light into a parallel beam.
ここで、回折角の変化を補正するためのレンズ65は、
レーザーダイオード60の温度変化による出力光の波長
変動によって、回折角が変化した場合でも、この回折角
の変化による影響をキャンセルするように機能している
。すなわち回折角が変化した際にも、レンズ65は、回
折格子64を所定の2方向を照明する2光束を同一方向
に指向させながら平行光束化を図り、この両手行光束が
常に重なり合うように構成されている。Here, the lens 65 for correcting the change in the diffraction angle is
Even if the diffraction angle changes due to a wavelength fluctuation of the output light due to a temperature change of the laser diode 60, it functions to cancel the influence of this change in the diffraction angle. In other words, even when the diffraction angle changes, the lens 65 is configured so that the two light beams illuminating the diffraction grating 64 in two predetermined directions are made into parallel light beams while being directed in the same direction, and these two-handed light beams always overlap. has been done.
その後、レンズ65を介した平行光束は、174波長板
66を介することによって円偏光となり、ビームスプリ
ッタ−67により2分割される。そして、分割された各
光束は、偏光板68a、 68bを介して光検出器69
a、 69bにて光電検出され、測定方向における回折
格子64の移動に応じた受光素子69a、69bの出力
信号に基づいて回折格子64の移動量を、2つの出力信
号の位相差に基づいて移動回折格子の移動方向を検出す
ることができる。Thereafter, the parallel light flux passing through the lens 65 becomes circularly polarized light by passing through the 174-wavelength plate 66, and is split into two by the beam splitter 67. Then, each of the divided light beams passes through polarizing plates 68a and 68b to a photodetector 69.
The amount of movement of the diffraction grating 64 is changed based on the output signals of the light receiving elements 69a and 69b, which are photoelectrically detected in the measurement direction and correspond to the movement of the diffraction grating 64 in the measurement direction. The direction of movement of the diffraction grating can be detected.
従って、以上にて述べたエンコーダは、回折角の変化を
補正するためのレンズ65の配置により、回折角が変化
した際にも、光検出器で干渉光が常に検出できるため高
精度な測定が行えるものである。Therefore, in the encoder described above, even when the diffraction angle changes, the interference light can always be detected by the photodetector due to the arrangement of the lens 65 for correcting the change in the diffraction angle, allowing highly accurate measurement. It can be done.
上記の如き従来技術においては、レーザーダイオード6
0の温度変化に伴う波長変動による移動回折格子64の
回折角変化を補正用のレンズ65の配置によって補正し
ている。In the prior art as described above, the laser diode 6
A change in the diffraction angle of the movable diffraction grating 64 due to a wavelength change due to a temperature change of 0 is corrected by the arrangement of a correction lens 65.
しかしながら、この補正用のレンズ65と移動回折格子
64との焦点合わせ、光軸合わせ等の調整が面倒かつ難
しい。However, adjustments such as focusing and optical axis alignment between the correction lens 65 and the movable diffraction grating 64 are troublesome and difficult.
また、この装置は、上述の如く、光源の波長変動に対す
る回折角の変化には有利であるものの、透過型の移動回
折格子64が第6図中の上下方向での変動に対する補正
が不十分である。Further, as described above, although this device is advantageous in changing the diffraction angle due to wavelength fluctuations of the light source, the transmission type movable diffraction grating 64 does not sufficiently compensate for fluctuations in the vertical direction in FIG. be.
すなわち、この変動によって、検出器69a、 69b
上に達する2つの回折光の射出方向が変化すると共に補
正用のレンズ65を介した検出光の集光状態が変化する
ため、検出器69a、 69bの検出面での干渉状態が
太き(変化する。この結果、検出器で検出される出力信
号が不安定となる恐れがある。That is, due to this variation, the detectors 69a, 69b
The emission direction of the two diffracted lights reaching the top changes, and the condensing state of the detection light via the correction lens 65 changes, so the interference state on the detection surfaces of the detectors 69a and 69b becomes thicker (changes). As a result, the output signal detected by the detector may become unstable.
また、位相差の異なる2つ以上の正弦波状の出力信号を
得て回折格子44の移動方向を弁別するために、偏光ビ
ームスプリッタ−9波長板、ビームスプリッタ−1偏光
板等の複数の光学部品を使用している。In addition, in order to obtain two or more sinusoidal output signals with different phase differences and to discriminate the movement direction of the diffraction grating 44, a plurality of optical components such as a polarizing beam splitter 9 wavelength plate and a beam splitter 1 polarizing plate are used. are using.
このため、部品点数が多くなるのみならず、光学的な構
成も複雑となり、さらには、これらの調整が難しくなる
。この結果、装置の大型化を招くことは勿論のこと、製
造上のコストの増大を招く恐れがある。This not only increases the number of parts, but also complicates the optical configuration, and furthermore, makes adjustment of these components difficult. As a result, there is a risk that not only the size of the device will increase, but also manufacturing costs will increase.
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもの
であり、簡素な構成かつ製造上の調整も極めて簡単にも
かかわらず、温度変化による光源の波長変動及びスケー
ルの機械的変動に対する干渉光の干渉状態の変化を極め
て小さく抑えられる高精度な測定が可能な回折干渉型エ
ンコーダを安価に提供することを目的としている。Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and although it has a simple configuration and is extremely easy to adjust in manufacturing, it does not interfere with wavelength fluctuations of the light source due to temperature changes and mechanical fluctuations of the scale. The purpose of the present invention is to provide a low-cost diffraction interference encoder that can perform highly accurate measurements that minimize changes in the state of interference of light.
本発明は上記の目的を達成するために、具体的には第2
A図に示す如く、平行に並設されるとともに互いに等し
い周期的なピッチを有する第1回折及び第2回折格子(
30,40)と、該第1及び第2回折格子(30,40
)を該第1回折格子(30)側からコヒーレントな平行
光束りを垂直照射する平行光束供給手段(1,2)と、
前記第1及び第2回折格子(30、40)の回折作用に
よって前記第1回折格子(3o)と前記第2回折格子(
40)との距離だけ隔てた第1の位置と第2の位置とで
交差する回折光同士を干渉させるために、前記第1の位
置と前記第2の位置とに対応してそれぞれ少なくとも1
つ設けられるとともに、前記第1及び第2回折格子(3
0,40)と平行かつ同方向に等しい周期的なピッチで
形成される回折格子要素(31a、31b)を有する第
3回折格子と、前記第3回折格子の各回折格子要素(3
1a。In order to achieve the above object, the present invention specifically provides the second
As shown in Figure A, first and second diffraction gratings (
30, 40), and the first and second diffraction gratings (30, 40)
) for vertically irradiating a coherent parallel beam from the first diffraction grating (30) side;
Due to the diffraction action of the first and second diffraction gratings (30, 40), the first diffraction grating (3o) and the second diffraction grating (
40), in order to cause the diffracted lights crossing each other to interfere with each other at the first position and the second position, which are separated by a distance of
The first and second diffraction gratings (3
0, 40), and each diffraction grating element (3
1a.
31b)毎に発生する回折干渉光の内で所定の1つの回
折干渉光のみをそれぞれ独立に光電検出する光検出手段
(5a、 5b)とを有し、前記第3回折格子の回折格
子要素(31a、 31b)の各々は、前記光検出手段
(5a、5b)により独立に検出される前記回折干渉光
の検出信号間に相対的な位相差を与えるために、前記ピ
ッチ方向で相対的に所定の距離を置いて設けられ、
前記第1及び第3回折格子(30,31a、 31b)
に対する前記第2回折格子(40)の前記ピッチ方向で
の相対移動量を検出するものである。31b) for independently photoelectrically detecting only one predetermined diffraction interference light out of the diffraction interference light generated in each diffraction grating element (5a, 5b); 31a, 31b) are arranged at relatively predetermined positions in the pitch direction in order to provide a relative phase difference between the detection signals of the diffraction interference light that are independently detected by the light detection means (5a, 5b). The first and third diffraction gratings (30, 31a, 31b) are provided at a distance of
The amount of relative movement of the second diffraction grating (40) in the pitch direction with respect to the second diffraction grating (40) is detected.
また、前記第2回折格子(40)は反射型の回折格子で
形成され、前記第1及び第3回折格子(30,31a、
31b)は同一部材の同一平面上に一体を成すように設
けても良い。Further, the second diffraction grating (40) is formed of a reflective diffraction grating, and the first and third diffraction gratings (30, 31a,
31b) may be provided integrally on the same plane of the same member.
上記の如く、本発明は、互いに同方向に等しい周期的な
ピッチで形成された第1.第2及び第3回折格子を等間
隔かつ平行に並設するとともに、該第3回折格子が2つ
の回折格子要素を少なくとも有するように形成し、平行
光束を第1回折格子側から垂直照射し、第1〜第3回折
格子による回折作用によって、第3回折格子の回折格子
要素毎に生成される所定の1つの回折干渉光のみを光検
出器で独立に検出するようにしたものである。As described above, in the present invention, the first... The second and third diffraction gratings are arranged in parallel at equal intervals, the third diffraction grating is formed to have at least two diffraction grating elements, and a parallel light beam is vertically irradiated from the first diffraction grating side, Due to the diffraction effect of the first to third diffraction gratings, only one predetermined diffraction interference light generated for each diffraction grating element of the third diffraction grating is independently detected by a photodetector.
具体的には、第1A図に示す如く、平行光束りがスケー
ル3の第1回折格子30を垂直照射することにより、θ
。方向には−n次回先光L(−n)が発生し、垂直方向
には0次回折光L(0)が発生する。Specifically, as shown in FIG. 1A, by perpendicularly irradiating the first diffraction grating 30 of scale 3 with a parallel light beam, θ
. In the direction, -nth order light L(-n) is generated, and in the vertical direction, 0th order diffracted light L(0) is generated.
ここで、0次光を境にして右側のn次回先光を十〇次回
折光、左側のものを一〇次回折光とする。Here, the n-th order light on the right side of the 0th-order light is assumed to be the 10th-order diffracted light, and the one on the left side is the 10th-order diffracted light.
そして、この−〇次回折光L(−n)が反射スケール4
の第2回折格子40を入射角θ、で照明することにより
、垂直方向にn次回折光L(−n、n)が発生し、また
、第1回折格子30からの0次回折光L(0)が第2回
折格子40を垂直入射することにより、θ。方向に一〇
次回先光L(0,−n)が発生する。この第2回折格子
40からのn次回折光L(n、n)と0次回折光L(0
,n)とがスケール3の第3回折格子31a上で交差し
、この2つの回折光はこの第3回折格子の回折格子要素
31a(以下、第3回折格子要素31aと称する。)に
よって再び回折する。そして、同方向に射出する回折光
同士が干渉し、例えば第1A図に示す如く、垂直方向に
生成される干渉光■。が不図示の検出器に導かれる。Then, this -〇th order diffracted light L(-n) is reflected at the reflection scale 4.
By illuminating the second diffraction grating 40 at an incident angle θ, n-order diffraction light L(-n, n) is generated in the vertical direction, and zero-order diffraction light L(0) from the first diffraction grating 30 is generated. is vertically incident on the second diffraction grating 40, so that θ. The 10th order light L(0, -n) is generated in the direction. The n-th diffraction light L (n, n) and the 0-th diffraction light L (0
, n) intersect on the third diffraction grating 31a of the scale 3, and these two diffracted lights are diffracted again by the diffraction grating element 31a (hereinafter referred to as the third diffraction grating element 31a) of the third diffraction grating. do. Then, the diffracted lights emitted in the same direction interfere with each other, and as shown in FIG. 1A, for example, interference light (2) is generated in the vertical direction. is guided to a detector (not shown).
今、第1回折格子30により回折角θ。でn次回折され
る平行光束りの波長がシフトすると、例えば回折角がθ
。□に変化するものの、この第1回折格子30と等しい
ピッチを有する第2回折格子40と第3回折格子要素3
1aの回折角も同じように67Hと変化するため、この
第3回折格子要素31aの回折作用により干渉する干渉
光は、Ioから11へ単に横シフトするだけで、干渉状
態は常に一定に保たれる。Now, the diffraction angle θ is determined by the first diffraction grating 30. For example, when the wavelength of the parallel light beam that is diffracted to the nth order shifts, the diffraction angle becomes θ
. The second diffraction grating 40 and the third diffraction grating element 3 have the same pitch as this first diffraction grating 30, although the pitch changes to □.
Since the diffraction angle of 1a changes to 67H in the same way, the interference light that interferes due to the diffraction effect of this third diffraction grating element 31a is simply horizontally shifted from Io to 11, and the interference state is always kept constant. It will be done.
また、第1B図に示す如く、例えば移動スケール上に形
成された第2回折格子が点線で示す如く下方へ変動(ギ
ャップ変動)した場合にも第1〜第3回折格子の回折作
用により得られる干渉光は、1、から■2へ単に横シフ
トするだけで、干渉状態は常に一定に保たれる。In addition, as shown in FIG. 1B, even when the second diffraction grating formed on the moving scale fluctuates downward (gap fluctuation) as shown by the dotted line, the diffraction effect of the first to third diffraction gratings can also be obtained. The interference light is simply horizontally shifted from 1 to 2, and the interference state is always kept constant.
以上の如く、波長変動による回折角変化が生じた場合や
第2回折格子等がピッチと直交した方向に変動した場合
にも、第1〜第3回折格子の回折作用により干渉する2
つの検出光の射出する方向を共に等しくできるため、干
渉状態が常に一定な安定した干渉光が得られる。As described above, even when the diffraction angle changes due to wavelength fluctuations or when the second diffraction grating etc. fluctuates in the direction perpendicular to the pitch, the diffraction effects of the first to third diffraction gratings cause interference.
Since the two detection lights can be emitted in the same direction, stable interference light with a constant interference state can be obtained.
さらに、本発明は、各第3回折格子要素をピッチ方向に
て所定の距離だけずらして構成するにより光電検出され
る回折干渉光の出力信号に所定の相対的な位相差を与え
るようにしたものである。Furthermore, the present invention provides a structure in which each of the third diffraction grating elements is shifted by a predetermined distance in the pitch direction, thereby giving a predetermined relative phase difference to the output signal of the diffracted interference light that is photoelectrically detected. It is.
これにより、電気的にプッシュプル信号や方向判別信号
等が容易に得られるため、高精度な測定を可能となる。This makes it easy to electrically obtain push-pull signals, direction discrimination signals, etc., making it possible to perform highly accurate measurements.
また、本発明は、光学部材の部品点数を必要最小限に抑
えられる簡素な構成が実現できるため、製造上の調整が
容易であるのみならず、装置の軽量化、低コスト化等が
達成できる。In addition, the present invention can realize a simple configuration in which the number of optical components can be kept to the minimum necessary, which not only facilitates manufacturing adjustments but also makes it possible to reduce the weight and cost of the device. .
第2A図は、回折格子4を反射型の回折格子で形成した
場合の反射型のエンコーダを示すものであり、この第2
A図を参照しながら本発明の第1実施例について詳述す
る。FIG. 2A shows a reflection type encoder in which the diffraction grating 4 is formed of a reflection type diffraction grating.
A first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図示の如く、透過スケール3とこれに対向して平行な反
射型移動スケール4が矢印方向(水平方向)に移動可能
に設けられている。As shown in the figure, a transmission scale 3 and a reflection type movable scale 4 facing and parallel to the transmission scale 3 are provided so as to be movable in the direction of the arrow (horizontal direction).
透過スケール3には、第1回折格子としての回折格子3
0と、第3回折格子を構成する回折格子要素31a及び
31bとが同一平面上に形成されており、反射型移動ス
ケール4には、第2回折格子としての回折格子40が形
成されている。そして、各スケール上に設けられている
回折格子30.31a、 31b、40は、凹部と凸部
との幅が等しい周期的なピッチで形成されている。The transmission scale 3 includes a diffraction grating 3 as a first diffraction grating.
0 and diffraction grating elements 31a and 31b constituting a third diffraction grating are formed on the same plane, and a diffraction grating 40 as a second diffraction grating is formed on the reflective moving scale 4. The diffraction gratings 30.31a, 31b, and 40 provided on each scale are formed at a periodic pitch in which the width of the concave portion and the convex portion are equal.
透過スケール3上の回折格子30の上方には、平行光束
を供給するためのレーザーダイオードl及びコリメート
レンズ2が配置されている。Above the diffraction grating 30 on the transmission scale 3, a laser diode l and a collimating lens 2 are arranged for supplying a parallel beam of light.
また、透過スケール3上の回折格子要素31a。Also, a diffraction grating element 31a on the transmission scale 3.
31b (以下、回折格子31a、 31bと称する。31b (hereinafter referred to as diffraction gratings 31a and 31b).
)の上方には、この回折格子31a、 31bに対応し
て検出器5a、5bがそれぞれ配置されている。), detectors 5a and 5b are arranged above the diffraction gratings 31a and 31b, respectively.
まず光源として例えばレーザーダイオード1から供給さ
れるコヒー1/ント(可干渉)な光束は、コリメートレ
ンズ2によって平行光束りとなって、透過スケール3上
に形成された回折格子30に垂直に入射する。First, a coherent light beam supplied from a light source such as a laser diode 1 is converted into a parallel light beam by a collimating lens 2, and is incident perpendicularly on a diffraction grating 30 formed on a transmission scale 3. .
そして、この平行光束が回折格子30を通過すると口折
光が生成され、この平行光束が透過する方向には0次光
L(0)が、このO次光L(0)を挟んで左右のθ方向
にはn次光L (n)、 −n次光L(−n)がそれぞ
れ発生する。When this parallel light flux passes through the diffraction grating 30, a refracted light is generated, and in the direction in which this parallel light flux passes, 0-order light L(0) is placed on both sides of the O-order light L(0), θ In the direction, n-th order light L (n) and -n-th order light L (-n) are generated, respectively.
ここで、レーザーダイオード1から供給される光束の波
長をλ1回回折格子要素ピッチをP1回回折格子要素よ
り生成される回折光の次数をnとすれば、回折格子30
により生成される±nn次回先光回折角θ6は、次式に
て一義的に与えられる。Here, if the wavelength of the light flux supplied from the laser diode 1 is λ1, and the pitch of the diffraction grating element is P1, and the order of the diffracted light generated from the diffraction grating element is n, then the diffraction grating 30
The ±nn-th order diffraction angle θ6 generated by is uniquely given by the following equation.
nλ
sin θ。= −(1)但し、nは整
数(n : O,±1.±2“パ)である。このとき、
n次回先光の回折角はθ6゜n次回先光の回折角はθ−
1となり、両者にはθ6=−〇−6の関係が成立するが
、以下における説明を簡単にするため、±nn次回先光
回折角は共にθイとして説明する。nλ sin θ. = −(1) However, n is an integer (n: O, ±1.±2 “pa). At this time,
The diffraction angle of the n-th forward beam is θ6゜The diffraction angle of the n-th forward beam is θ-
1, and a relationship of θ6=-0-6 holds true between the two. However, in order to simplify the explanation below, both ±nn-th order diffraction angles will be explained as θi.
今、回折格子30より発生する0次光L(0)、1次光
L(1)及び−1次光L (−1)とについて考える。Now, consider the 0th-order light L(0), the 1st-order light L(1), and the -1st-order light L(-1) generated from the diffraction grating 30.
第2A図に示す如く、0次光L (0)は反射型移動ス
ケール4の回折格子40に対し垂直入射する一方で、1
次光L(1)と−1次光L (−1)とは反射型移動ス
ケール4の回折格子40に対し互いに反対の入射角θで
斜入射する。As shown in FIG. 2A, while the 0th order light L (0) is perpendicularly incident on the diffraction grating 40 of the reflective moving scale 4,
The order light L(1) and the −1st order light L(−1) obliquely enter the diffraction grating 40 of the reflective moving scale 4 at mutually opposite incident angles θ.
すると、反射型移動スケール4上の回折格子40は、0
次光L(0)を再回折させて左右のθ方向に1次光L(
0,1)及び−1次光L (0,−1)を生成すると共
に、1次光L(1)を再回折させて垂直方向に=1次光
L(1,〜l)を生成する。また、これと同時に、回折
格子40は一1次光L (−1)を再回折させて垂直方
向に1次光L (−1,l)を生成する。Then, the diffraction grating 40 on the reflective moving scale 4 becomes 0
The first-order light L(0) is re-diffracted in the left and right θ directions.
0,1) and -1st order light L (0, -1), and re-diffracts the first order light L(1) to generate =1st order light L(1,~l) in the vertical direction. . At the same time, the diffraction grating 40 re-diffracts the 1st-order light L (-1) to generate 1st-order light L (-1,l) in the vertical direction.
このようにして生成された回折光L(0,1)及び回折
光L (1,−1)と9回折光L (0,−1)及び回
折光L (−1,l)とのそれぞれが透過スケール3と
反射型移動スケール4との間の距離(ギャップ)の分だ
け離れたスケール3上の異なる位置で交差する。The diffracted light L(0,1) and diffracted light L(1,-1) generated in this way and the nine diffracted lights L(0,-1) and diffracted light L(-1,l) are respectively They intersect at different positions on the scale 3 separated by the distance (gap) between the transmission scale 3 and the reflective moving scale 4.
この各交差位置に対応して回折格子31a、 31bが
設けられており、この回折格子31a、 31bは、第
2B図に示す如く、反射型移動スケール4の移動方向に
おいて、例えば相対的に1/4ピツチのずれを生ずるよ
うに所定の距離だけ隔てて設けられている。Diffraction gratings 31a and 31b are provided corresponding to each of these intersection positions, and these diffraction gratings 31a and 31b are arranged such that, as shown in FIG. They are spaced apart by a predetermined distance so as to produce a shift of 4 pitches.
すると、この一対の回折格子31a、 31b上で各々
交差する回折光は、この各回折格子31a、 31bに
よってそれぞれ回折されて、各回折光の各次数が発生す
る方向に干渉光(lA、IB、IN、〜I N、)が生
成される。Then, the diffracted lights that intersect on the pair of diffraction gratings 31a and 31b are respectively diffracted by the diffraction gratings 31a and 31b, and interference lights (lA, IB, IN, ~IN,) is generated.
ここで、本実施例では実線で示す如く格子の配列方向(
ピッチ方向)と直交した方向に発生する2つの干渉光(
IA、■、3)を検出するものとする。Here, in this example, the grid arrangement direction (
Two interference lights generated in a direction perpendicular to the pitch direction) (
IA, ■, 3) shall be detected.
この干渉光IAは、回折格子31aの回折作用によって
、格子の配列方向の直交方向に発生する回折光L (0
,−1)の1次光と透過方向に発生する回折光L (−
1,1)の0次光とで生成される一方、干渉光IBは、
回折格子31bの回折作用によって、格子の配列方向の
直交方向に発生する回折光L(0゜1)の−1次光と透
過方向に発生する回折光L(1,−1)の0次光とで生
成される。This interference light IA is a diffracted light L (0
, -1) and the diffracted light L (-
1, 1), while the interference light IB is
Due to the diffraction action of the diffraction grating 31b, -1st order light of diffracted light L(0°1) is generated in the direction perpendicular to the direction in which the gratings are arranged, and 0th order light of diffracted light L(1, -1) is generated in the transmission direction. It is generated with .
そして、これらの干渉光(1,、IB)は、回折格子3
1a、 31bに対応して配された一対の検出器5a、
5bによって光電的に検出され、反射型移動スケール4
の移動量に応じた2つの正弦波状の出力信号A、 Bが
得られる。Then, these interference lights (1,, IB) are transmitted to the diffraction grating 3
A pair of detectors 5a arranged corresponding to 1a and 31b,
5b and is detected photoelectrically by the reflective moving scale 4.
Two sinusoidal output signals A and B are obtained depending on the amount of movement.
このとき、2つの出力信号A、 Hの相対位相差は、上
述の如く回折格子31a、 31bが第2回折格子の移
動方向において相対的に1/4ピツチのずれを生ずるよ
うに設けられているため、90°ズした状態となる。At this time, the relative phase difference between the two output signals A and H is such that, as described above, the diffraction gratings 31a and 31b are provided so as to produce a relative shift of 1/4 pitch in the moving direction of the second diffraction grating. Therefore, the state is shifted by 90°.
従って、この相対的に位相がズした状態の2つの出力信
号A、 Hに基づいて反射型移動スケール4の移動方
向の弁別及び移動量を検出することができる。Therefore, it is possible to discriminate the moving direction and detect the moving amount of the reflective moving scale 4 based on the two output signals A and H which are relatively out of phase.
ここで、本実施例の如く第2回折格子40を有する移動
スケール4を反射型で構成した場合、透過スケール3に
入射する平行光束と、この透過スケール3を射出する検
出すべき干渉光とを分離するためには、透過スケール3
と移動スケール4との間隔g(ギャップ)は以下の条件
を満足することが望ましい。Here, when the movable scale 4 having the second diffraction grating 40 is configured as a reflection type as in this embodiment, the parallel light beam incident on the transmission scale 3 and the interference light to be detected exiting the transmission scale 3 are separated. To separate, use transmission scale 3
It is desirable that the distance g (gap) between the moving scale 4 and the moving scale 4 satisfies the following conditions.
但し、
n・スケール3の第1回折格子31により回折する検出
のためのn次回先光の次数。However, n is the order of the n-th destination light for detection diffracted by the first diffraction grating 31 of scale 3.
φ・平行光束径。φ・Parallel beam diameter.
λ:平行光束の波長。λ: Wavelength of parallel light beam.
P、スケール3の第1回折格子31のピッチ。P, pitch of the first diffraction grating 31 of scale 3;
さて、第2A図に示した如く、検出器(5A。Now, as shown in FIG. 2A, a detector (5A) is used.
5B)では、スケール3上の回折格子(31a、 31
b)の格子の配列方向(ピッチ方向)と直交した方向に
発生する回折光同士による干渉光を検出しているが、上
述の如く、このピッチ方向に対して左右のθ方向にも点
線で示す如き干渉光(I N1゜■9□、 Iys、
lN4)が発生する。5B), the diffraction gratings (31a, 31
Interference light between diffracted lights generated in a direction perpendicular to the grating arrangement direction (pitch direction) in b) is detected, but as mentioned above, the θ directions to the left and right of this pitch direction are also shown by dotted lines. Such interference light (IN1゜■9□, Iys,
lN4) occurs.
ところが、これらの干渉光が検出器5a、5bに入射す
ると、ギャップ変動や波長シフトに伴う回折角変動によ
り検出器5a、5bにて光電変換される出力信号A、
Bの位相が大きく飛んで高精な位置検出が困難となる
恐れがある。However, when these interference lights are incident on the detectors 5a and 5b, the output signals A, which are photoelectrically converted by the detectors 5a and 5b, due to diffraction angle fluctuations due to gap fluctuations and wavelength shifts.
There is a possibility that the phase of B will jump significantly, making it difficult to detect the position with high accuracy.
そこで、本実施例ではスケール3上の回折格子31a、
31bの格子の配列方向(ピッチ方向)の直交方向に
発生する干渉光のみを検出できるように、検出器5a、
5bは回折格子31a、 31bから離れて配置されて
いる。これにより、信頼性の高い安定した出力信号A、
Bを得ることができる。Therefore, in this embodiment, the diffraction grating 31a on the scale 3,
The detectors 5a,
5b is placed apart from the diffraction gratings 31a and 31b. This results in a highly reliable and stable output signal A,
You can get B.
尚、これらのノイズとなる干渉光を遮光するために、所
定の開口形状を有する絞り9円筒状の遮光部材等を配置
しても良い。これにより、所定の干渉光のみを確実に抽
出できるだけでなく、検出器と透過スケール3の回折格
子31a、 31bの距離を縮小できるため装置のコン
パクト化が容易となる。これは、以下に述べる実施例に
ついても適用できる。Note that in order to block these interference lights that become noise, a cylindrical light blocking member or the like may be arranged in the aperture 9 having a predetermined aperture shape. This not only makes it possible to reliably extract only the predetermined interference light, but also makes it possible to reduce the distance between the detector and the diffraction gratings 31a and 31b of the transmission scale 3, making it easier to make the apparatus more compact. This can also be applied to the embodiments described below.
以上の構成によれば、レーザーダイオード1の波長変動
による回折角変化及びギャップ変動が生じても、全て等
しいピッチの3つの回折格子の回折作用により4通りの
光路上を進行して干渉する2組の検出用回折光の光路長
が全て等しくなると共に、これらの回折光の回折角が全
て等しくなるために、検出される干渉光が単に横シフト
するだけで各検出器にて光電検出される出力信号の位相
は変化することなく一定に保たれる。According to the above configuration, even if a diffraction angle change and a gap change occur due to wavelength fluctuations of the laser diode 1, two sets of optical fibers proceed along four optical paths and interfere due to the diffraction action of the three diffraction gratings, all of which have the same pitch. Since the optical path lengths of the detection diffracted lights are all the same and the diffraction angles of these diffracted lights are all the same, the interference light to be detected is simply horizontally shifted, and the output photoelectrically detected by each detector increases. The phase of the signal remains constant without changing.
尚、信号処理は、光電式エンコーダにおいて適用されて
いる手法が適用できる。例えば、信号処理をする信号処
理系としては、第3図に示す如く、検出器5a、5bよ
り得られる出力信号A、 Bを増幅させるプリアンプ1
0と、この各増幅信号をパルス状に整形する波形整形回
路11と、各パルス信号を2値的なパルス信号に変換す
る方向弁別回路12と、この方向弁別回路を介したパル
ス信号を計数する計数回路13と、パルス信号を計数に
よる計測結果を所望の形式で表示させる表示部14を設
けることによって計測値を得ることができる。Note that the signal processing may be performed using a method used in a photoelectric encoder. For example, as shown in FIG. 3, a signal processing system that performs signal processing includes a preamplifier 1 that amplifies the output signals A and B obtained from the detectors 5a and 5b.
0, a waveform shaping circuit 11 that shapes each amplified signal into a pulse shape, a direction discrimination circuit 12 that converts each pulse signal into a binary pulse signal, and a pulse signal that has passed through this direction discrimination circuit. Measured values can be obtained by providing a counting circuit 13 and a display section 14 that displays the measurement results obtained by counting pulse signals in a desired format.
次に、第4A図は本発明の第2実施例について示す図で
あり、第1図と同一の機能を持つ部材については同じ符
号を付しである。Next, FIG. 4A is a diagram showing a second embodiment of the present invention, and members having the same functions as those in FIG. 1 are given the same reference numerals.
前述した第1実施例と異なる所は、透過スケール3上に
は、4つの干渉光を得るための第3回折格子が第1回折
格子30を挟んで左右に2つずつで並列的に形成されて
おり、この各回折格子31a〜31bに対応して検出器
5a〜5bが4つ設けられている。The difference from the first embodiment described above is that on the transmission scale 3, third diffraction gratings for obtaining four interference lights are formed in parallel, two on each side with the first diffraction grating 30 in between. Four detectors 5a to 5b are provided corresponding to each of the diffraction gratings 31a to 31b.
第4B図には透過スケール3の平面図が示されている。FIG. 4B shows a plan view of the transmission scale 3.
Pを格子のピッチ、mを整数とするとき、図示の如く、
回折格子31a、 31bは測定方向に(m+1/4)
Pの距離を隔てて配置されている。When P is the pitch of the grating and m is an integer, as shown in the figure,
The diffraction gratings 31a and 31b are (m+1/4) in the measurement direction.
They are placed at a distance of P.
また、回折格子31aとこれと並列的に配置された回折
格子31cと、回折格子31bとこれと並列的に配置さ
れた回折格子31dとがそれぞれ測定方向において1/
4ピツチずれるようにするために、この回折格子31c
と回折格子31dとが測定方向に(m+3/4)Pの距
離を隔てて配置されている。Further, the diffraction grating 31a and the diffraction grating 31c arranged in parallel thereto, and the diffraction grating 31b and the diffraction grating 31d arranged in parallel thereto are each 1/1/2 in the measurement direction.
In order to shift by 4 pitches, this diffraction grating 31c
and a diffraction grating 31d are arranged at a distance of (m+3/4)P in the measurement direction.
したがって、このスケール3上の回折格子31a〜31
dから垂直方向に射出する4つの干渉光が検出器5a〜
5dによって光電検出された4つの出力信号A−Dの位
相は互いに90°ずれることになる。Therefore, the diffraction gratings 31a to 31 on this scale 3
Four interference lights emitted from d in the vertical direction are detected by detectors 5a to 5a.
The phases of the four output signals A-D photoelectrically detected by 5d are shifted by 90 degrees from each other.
今、検出器5cにより光電検出される回折格子31cか
らの干渉光の出力信号Cを基準信号とじて位相をθ°と
すれば、この基準信号と各検出器から得られる出力信号
との相対的な位相差は、回折格子31aに対応する検出
器5Aの出力信号Aでは90°1回折格子31bに対模
する検出器5Bの出力信号Bでは180°9回折格子3
1dに対応する検出器5dの出力信号りでは270°と
なる。Now, if the output signal C of the interference light from the diffraction grating 31c photoelectrically detected by the detector 5c is taken as a reference signal and the phase is θ°, then the relative relationship between this reference signal and the output signal obtained from each detector is The phase difference is 90° for the output signal A of the detector 5A corresponding to the diffraction grating 31a, and 180° for the output signal B of the detector 5B corresponding to the diffraction grating 31b.
The output signal of the detector 5d corresponding to the angle 1d is 270°.
このため、この4つの出力信号を任意に2組ずつ組み合
わせて信号処理すれば、反射型移動スケール4の移動量
及び移動方向を検出することができる。Therefore, if two sets of these four output signals are arbitrarily combined and signal processed, the amount and direction of movement of the reflective moving scale 4 can be detected.
例えば、AとDの出力信号、BとCの出力信号とにそれ
ぞれ組み合わせて、各組の何れか一方の信号を電気的に
振幅を反転させる。すなわち、検出器40Aと40D、
検出器40Bと40Cとを電気的に逆並列で接続して2
つのプッシュプル信号を生成す′る。すると、この2つ
のプッシュプル信号の相対的位相差は90°となり、こ
の両者の信号に基づいて位置検出及びスケールの移動方
向の弁別をすることが好ましい。For example, by combining the A and D output signals and the B and C output signals, the amplitude of one of the signals in each set is electrically inverted. That is, detectors 40A and 40D,
Detectors 40B and 40C are electrically connected in antiparallel to 2
generates two push-pull signals. Then, the relative phase difference between these two push-pull signals becomes 90°, and it is preferable to perform position detection and discrimination of the moving direction of the scale based on these two signals.
これにより、スケール3と移動スケール6との倒れが生
じても検出信号の読ろ取り誤差を最小にすることができ
る。Thereby, even if the scale 3 and the movable scale 6 fall, the error in reading the detection signal can be minimized.
このように電気的に検出誤差を補償できる構成にすれば
、各スケール上に形成されている回折格子の製造上の公
差を軽減することができる。By adopting a configuration in which detection errors can be electrically compensated in this way, manufacturing tolerances of the diffraction gratings formed on each scale can be reduced.
次に、第3実施例について説明する。第5図は第3実施
例の構成を示すものであり、第1図と同一機能を持つ部
材については同じ符号を付しである。Next, a third example will be described. FIG. 5 shows the configuration of the third embodiment, and members having the same functions as those in FIG. 1 are given the same reference numerals.
本実施例のエンコーダは、透明な部材の移動スケール4
上に透過型の回折格子40を設けて透過型としたもので
ある。そして、各スケール4. 3A。The encoder of this embodiment has a moving scale 4 of a transparent member.
A transmission type diffraction grating 40 is provided on top to make it a transmission type. And each scale 4. 3A.
3B上の各回折格子40.30.31a、 31bも、
透過領域(あるいは反射領域)と遮光領域とが交互に等
しいピッチで形成されている振幅格子で設けられている
。Each diffraction grating 40.30.31a, 31b on 3B is also
Transmissive regions (or reflective regions) and light-shielding regions are provided in an amplitude grating that is alternately formed at equal pitches.
そして、透過型の移動スケール4と第2透過スケール3
Bとのギャップが第1の透過スケール3Aと透過型移動
スケール6とのギャップと等しくなるように、3つのス
ケールは平行かつ等間隔に並設されている。Then, a transmission type moving scale 4 and a second transmission scale 3
The three scales are arranged in parallel and at equal intervals so that the gap with B is equal to the gap between the first transmission scale 3A and the transmission type moving scale 6.
ここで、本実施例は、先に説明した第1実施例のものと
基本的に同一であるため、詳細な説明は省略する。Here, since this embodiment is basically the same as that of the first embodiment described above, detailed explanation will be omitted.
尚、本実施例の場合にも、第2実施例と同様に検出用の
干渉光を生成するための一対の回折格子を2組設け、さ
らにこれに対応して4つの検出器を設けても良い。In the case of this embodiment as well, two pairs of diffraction gratings for generating interference light for detection may be provided as in the second embodiment, and four detectors may be provided correspondingly. good.
ところで、本発明の各実施例では、例えば第2A図に示
した如く、第3回折格子31a、 31bから垂直方向
に射出する干渉光IA、IPを検出しているが、外側の
斜め方向に発生する干渉光I Nl+IN4も移動スケ
ールの移動情報を有しているので、これを検出器で検出
することも可能である。By the way, in each of the embodiments of the present invention, as shown in FIG. 2A, for example, the interference lights IA and IP emitted from the third diffraction gratings 31a and 31b in the vertical direction are detected, but the interference lights IA and IP that are emitted from the third diffraction gratings 31a and 31b in the diagonal direction are detected. Since the interference light I Nl+IN4 also has movement information of the moving scale, it is also possible to detect this with a detector.
このとき、この干渉光I Nl+ INIも、光源の
波長変化による回折角変動及びギャップの変動が生じて
も、常に干渉状態が一定となる。At this time, the interference state of the interference light I Nl+ INI remains constant even if the diffraction angle and the gap vary due to changes in the wavelength of the light source.
この構成によれば、コリメートレンズ2の径が大きくな
った場合にも、コンパクトな形状を確保することができ
る。According to this configuration, even when the diameter of the collimating lens 2 becomes large, a compact shape can be ensured.
しかしながら、照明効率が高く、より安定した出力信号
を確実に得るには、各実施例で述べた如(、第3回折格
子から垂直方向に射出する干渉光IA、IBを検出する
ことが望ましい。However, in order to reliably obtain a more stable output signal with high illumination efficiency, it is desirable to detect the interference lights IA and IB vertically emitted from the third diffraction grating, as described in each embodiment.
尚、以上にて述べた各実施例とも、戻り光を防止するた
めに、コリメートレンズ2と第1回折格子との光路間に
、例えば偏光ビームスプリッタ−とλ/4板等で構成さ
れる光アイソレータを配置しても良い。In addition, in each of the embodiments described above, in order to prevent return light, a light beam composed of, for example, a polarizing beam splitter and a λ/4 plate is placed between the optical path between the collimating lens 2 and the first diffraction grating. An isolator may be placed.
また、本発明の各実施例では第1〜第3回折格子を位相
格子あるいは振幅格子で統一して構成しているが、適宜
これらを組み合わせて使用しても良い。Further, in each of the embodiments of the present invention, the first to third diffraction gratings are unified to be a phase grating or an amplitude grating, but they may be used in combination as appropriate.
また、本発明では、各回折格子を照明する光束径を小さ
くした状態でも常に安定した干渉光の出力信号を確実に
得ることができる。Further, according to the present invention, even when the diameter of the light beam illuminating each diffraction grating is made small, a stable output signal of interference light can always be reliably obtained.
また、本発明の各実施例では第2回折格子を持つスケー
ルを移動させているが、これを固定して第1及び第3回
折格子を有するスケールを一体的に移動させても良い。Further, in each embodiment of the present invention, the scale having the second diffraction grating is moved, but it may be fixed and the scale having the first and third diffraction gratings moved integrally.
以上の如く、本発明によれば、部品点数が極めて少ない
簡素な構成にもかかわらず、温度変化に伴う光源の波長
変動及びスケールのギャップ変動による検出用干渉光の
悪影響を除去でき、製造上での調整も極めて容易で、常
に安定した所定の出力信号を得られる高性能な回折干渉
型のエンコーダを達成することができる。As described above, according to the present invention, despite the simple configuration with an extremely small number of parts, it is possible to eliminate the adverse effects of detection interference light due to wavelength fluctuations of the light source and scale gap fluctuations due to temperature changes, and to improve manufacturing efficiency. Adjustment is also extremely easy, and a high-performance diffraction interference type encoder that can always obtain a stable predetermined output signal can be achieved.
これにより、製造コストの低減を図れるのみならず、コ
ンパクト化、軽量化が達成できる。This not only makes it possible to reduce manufacturing costs, but also makes it more compact and lightweight.
また、第2回折格子を反射型とした場合には、照明系、
検出系、第1及び第3回折格子を1つのハウジングに組
み込むことができるので、さらにコストの低減及び装置
のコンパクト化が期待できる。In addition, when the second diffraction grating is a reflective type, the illumination system,
Since the detection system and the first and third diffraction gratings can be incorporated into one housing, further cost reduction and compactness of the device can be expected.
さらに、第1及び第2実施例の如く、第2回折格子を反
射型をとしながら、第1回折格子と第3回折格子とを一
体構造とすることにより、部品点数が極めて少さくでき
、また製造上の調整箇所も格段に少なくできるため、大
幅なコストダウンが期待できる。Furthermore, as in the first and second embodiments, the second diffraction grating is of a reflective type and the first diffraction grating and third diffraction grating are integrally structured, so that the number of parts can be extremely reduced. Since the number of adjustment points during manufacturing can be significantly reduced, significant cost reductions can be expected.
第1A図は本発明のエンコーダにおいて光源波長が変動
した際の様子を示す図である。第1B図は本発明のエン
コーダにおいてギャップ変動した際の様子を示す図であ
る。第2A図は本発明による第1実施例の概略的構成を
示す図である。第2B図は第2A図の透過スケール3の
平面図である。
第3図は第1実施例の信号処理系を示すブロック図であ
る。第4A図は本発明による第2実施例の構成を示す斜
視図である。第4B図は第4A図の透過スケール3の平
面図である。第5図は本発明による第3実施例の概略的
構成を示す図である。
第6図は従来のエンコーダの概略的構成図である。
〔主要部分の符号の説明〕
3 、3A、 3B、 4 ・・・−・・・−スケール
31・・・・・・・第1回折格子
40・−°・−・°第2回折格子FIG. 1A is a diagram showing how the light source wavelength changes in the encoder of the present invention. FIG. 1B is a diagram showing a situation when the gap varies in the encoder of the present invention. FIG. 2A is a diagram showing a schematic configuration of a first embodiment according to the present invention. FIG. 2B is a plan view of the transmission scale 3 of FIG. 2A. FIG. 3 is a block diagram showing the signal processing system of the first embodiment. FIG. 4A is a perspective view showing the structure of a second embodiment of the present invention. FIG. 4B is a plan view of the transmission scale 3 of FIG. 4A. FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a third embodiment according to the present invention. FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a conventional encoder. [Explanation of symbols of main parts] 3, 3A, 3B, 4...--Scale 31...First diffraction grating 40--°...-°Second diffraction grating
Claims (1)
ッチを有する第1及び第2回折格子と、該第1及び第2
回折格子に該第1回折格子側からコヒーレントな平行光
束を垂直照射する平行光束供給手段と、前記第1及び第
2回折格子の回折作用によって前記第1回折格子と前記
第2回折格子との距離だけ隔てた第1の位置と第2の位
置とで交差する回折光同士を干渉させるために、前記第
1の位置と前記第2の位置とに対応してそれぞれ少なく
とも1つ設けられるとともに、前記第1及び第2回折格
子と平行かつ同方向に等しい周期的なピッチで形成され
る回折格子要素を有する第3回折格子と、前記第3回折
格子の各回折格子要素毎に発生する回折干渉光の内で所
定の1つの回折干渉光のみをそれぞれ独立に光電検出す
る光検出手段とを有し、 前記第3回折格子の回折格子要素の各々は、前記光検出
手段により独立に受光される前記回折干渉光の検出信号
間に相対的な位相差を与えるために、前記ピッチ方向で
相対的に所定の距離を置いて設けられ、 前記第1及び第3回折格子に対する前記第2回折格子の
前記ピッチ方向での相対移動量を検出することを特徴と
する回折干渉型エンコーダ。 2)前記第2回折格子は反射型の回折格子で形成され、
前記第1及び第3回折格子は同一平面上に設けられてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の回折干
渉型エンコーダ。[Claims] 1) first and second diffraction gratings arranged in parallel and having equal periodic pitches;
a collimated beam supply means for perpendicularly irradiating a coherent collimated beam onto the diffraction grating from the first diffraction grating side; and a distance between the first diffraction grating and the second diffraction grating by the diffraction action of the first and second diffraction gratings. In order to cause the diffracted lights crossing each other at the first position and the second position, which are separated by a third diffraction grating having diffraction grating elements formed at equal periodic pitches in parallel and in the same direction as the first and second diffraction gratings; and diffraction interference light generated for each diffraction grating element of the third diffraction grating. and a photodetecting means for independently photoelectrically detecting only one predetermined diffracted interference light among the third diffraction gratings, each of the diffraction grating elements of the third diffraction grating has a photodetection means for independently photoelectrically detecting only one predetermined diffraction interference light among the third diffraction gratings, and each of the diffraction grating elements of the third diffraction grating has a In order to provide a relative phase difference between the detection signals of the diffraction interference light, the second diffraction grating is provided at a relatively predetermined distance in the pitch direction, and A diffraction interference encoder characterized by detecting the amount of relative movement in the pitch direction. 2) the second diffraction grating is formed of a reflective diffraction grating;
2. The diffraction interference encoder according to claim 1, wherein the first and third diffraction gratings are provided on the same plane.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2081527A JP2560513B2 (en) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | Diffraction interference encoder |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2081527A JP2560513B2 (en) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | Diffraction interference encoder |
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| JPH03279812A true JPH03279812A (en) | 1991-12-11 |
| JP2560513B2 JP2560513B2 (en) | 1996-12-04 |
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| JP2081527A Expired - Fee Related JP2560513B2 (en) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | Diffraction interference encoder |
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